Paper Clase D - Nota: 5 PDF

Preview

Summary

publicacion...

Description

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE D

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFADOR CLASE D DANIEL FELIPE ROCHA DAZA. COD. 2005 17 00 15 NELSON JAVIER CASALLAS BELTRAN. COD.2005 17 00 52 ING. JESUS MARIA LLANOS

Líder de proyecto. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES ECCI Facultad de Ingeniería, Departamento de Electrónica, Grupo de Investigación POTENCIA Abstract- This document shows the made study the amplifiers of audio class D, its efficiency of energy and signal processing. By means of a the elaboration of a prototype could be acquired a concrete knowledge of the amplifiers class D.

2. METODOLOGÍA Diseño y construcción de un amplificador conmutado con frecuencias auditivas completas. a) Conociendo las problemáticas de los amplificadores clase D en los rangos de frecuencias en donde se siente la distorsión o ruido por conmutación de potencia, se busca un diseño que pueda suplir los problemas encontrados hasta ahora en las frecuencias audibles. b) Mostrar la eficiencia del amplificador clase D en audio. En el sistema de conmutación se logra una óptima potencia sin desperdicio de energía y en los demás elementos que influyen en la amplificación de audio actualmente.

Resumen-Este documento muestra el estudio realizado a los amplificadores de audio clase D, su eficiencia de energía y tratamiento de señales. Mediante a la elaboración de un prototipo se pudo adquirir un conocimiento concreto de los amplificadores clase D. PALABRAS CLAVES: Pwm, comparador, oscilador, ventana de guarda, eficiencia, pasa banda, muestreo.

1. INTRODUCCION

3. ESTUDIO DE LAS CLASES DE AUDIO (GENERALIDADES).

Con el estudio y desarrollo de los sistemas de amplificación clase D, se podrá aumentar la eficiencia y disminuir tamaño en electrodomésticos de audio. Recordemos que recién conocida esta tecnología fue utilizada en sistemas de administración de potencia para circuitos y posteriormente utilizada para la amplificación de audio; tecnología en la cual, no se logro en ese entonces una evolución por los inconvenientes encontrados en los componentes de oscilación rápida. Años después se retomo la utilización de la tecnología en audio enfocada en la amplificación de sistemas de bajos ya que en máximo rango de señales se perdía la señal original perdiendo fidelidad de sonido (sistema de altos).

Recordemos que los amplificadores que se venden actualmente en el comercio dan un rendimiento real de un 35% al 45%, desperdiciando energía en temperatura de disipación; por esta razón, la solución de un buen manejo de potencia fue el sistema de conmutación tanto en la fuente de voltaje como el las etapas de salida, además su tamaño se redujo en un 40%.

Es obvio que los amplificadores clase D son más eficientes que los de clase A, clase AB, o clase B. Algunos amplificadores de clase D tienen una eficiencia del 80% al 90% en plena potencia. Pueden incluso tener baja distorsión, a pesar de no ser tan buena como los de clase AB o A.

Actualmente muy pocas empresas están utilizando e investigando la amplificación Clase D como: Kenwod, Marants, QSC, Pioner, Fender, Carver, Internacional Rectifier, Phillips, entre otras, las cuales por medio del estudio del PWM han logrado realizar excelentes amplificadores para subwoofers y actualmente se realizan investigaciones de sistemas de conmutación para la amplificación a máximo rango audible.

3.1 CLASE A Son aquellos amplificadores cuyas etapas de potencia consumen corrientes altas y continuas de su fuente de alimentación, independientemente de si existe señal de audio o no. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante emisión de calor. No obstante, los transistores de salida están siempre a una temperatura fija y sin alteraciones. En general, podemos afirmar que esta clase de amplificación es frecuente en circuitos de audio y en los equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan una calidad de sonido potente y de muy buena calidad. Resumiendo, los amplificadores de clase A

La investigación se encaminara en lograr un diseño de un amplificador clase D para una frecuencia audible (Rango completo) sin tener mayores perdidas de la señal de entrada. 1

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE D sustancialmente superior al ancho de banda requerido (al menos 10 veces mayor) para poder ser rechazada eficazmente. El filtro suele ser de tipo LC, por no suponer pérdidas importantes. Los amplificadores Clase-D requieren de un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética y evitar que pueda interferir en equipos adyacentes, típicamente en la banda de FM. No obstante, la tecnología actual ha demostrado que esta clase de amplificadores es la alternativa lógica a las tecnologías lineales tradicionales no sólo por su rendimiento, sino también por su calidad de sonido, tamaño y coste. FIGURA 2.

tienen mayor calidad de sonido, cuestan más y son menos prácticos, ya que despilfarran corriente y devuelven señales muy limpias. FIGURA 1

FIGURA 1. AMPLIFICADOR CLASE A .

3.2 CLASE B Y AB CLASE B: Son aquellos amplificadores que tienen la peculiaridad de no disponer de corriente a través de los transistores si no existe una señal de audio presente. La propia señal de excitación polarizará a los transistores para que entren en conducción y así exciten a su vez a los altavoces. Esta característica hace especialmente indicados a estos tipos de amplificadores en equipos alimentados por baterías, ya que el consumo está íntimamente ligado al nivel de señal de entrada. Hablando de forma genérica, podríamos afirmar que la calidad en la amplificación de estos equipos es menor y su utilización se adecuaría a aplicaciones que no requieran un sonido muy elaborado, como pueden ser sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, sistemas de aviso, entre otras aplicaciones. Este tipo de amplificadores no se usa en audio. Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero. Generalmente, un amplificador clase B tiene corriente de polarización cero en una pequeña parte del circuito de potencia, para evitar no linealidades. Tienen una importante ventaja sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan electricidad con señales pequeñas.

FIGURA 2 AMPLIFICADOR CLASE AB.

3.3 CLASE D La ventaja fundamental de este tipo de amplificadores es su excelente rendimiento energético, superior en algunos casos al 90–95%, lo que reduce drásticamente el tamaño de los disipadores, y por tanto el tamaño y peso. Tradicionalmente se han visto relegados a aplicaciones limitadas como amplificadores para dispositivos portátiles o “subwoofers”, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes. Sin embargo, con la tecnología actual existen amplificadores clase-D para toda la banda y niveles de distorsión comparables a los de clase AB o incluso clase A. Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados (aunque existen variaciones multinivel)generadoras de ruido, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en corte o en saturación (en ambos casos la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula), salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de no disminuir el rendimiento. Esta señal conmutada, que puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por anchura de pulsos o PWM, debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de audio. Para ello, la frecuencia de conmutación debe ser sustancialmente superior al ancho de banda requerido (al menos 10 veces mayor) para poder ser rechazada eficazmente. El filtro suele ser de tipo LC, por no suponer pérdidas importantes. Los amplificadores Clase-D requieren

CLASE AB: La ventaja fundamental de este tipo de amplificadores es su excelente rendimiento energético, superior en algunos casos al 90–95%, lo que reduce drásticamente el tamaño de los disipadores, y por tanto el tamaño y peso. Tradicionalmente se han visto relegados a aplicaciones limitadas como amplificadores para dispositivos portátiles o “subwoofers”, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes. Sin embargo, con la tecnología actual existen amplificadores clase-D para toda la banda y niveles de distorsión comparables a los de clase AB o incluso clase A. Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados (aunque existen variaciones multinivel)generadoras de ruido, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en corte o en saturación (en ambos casos la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula), salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de no disminuir el rendimiento. Esta señal conmutada, que puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por anchura de pulsos o PWM, debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de audio. Para ello, la frecuencia de conmutación debe ser 2

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE D de un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética y evitar que pueda interferir en equipos adyacentes, típicamente en la banda de FM. No obstante, la tecnología actual ha demostrado que esta clase de amplificadores es la alternativa lógica a las tecnologías lineales tradicionales no sólo por su rendimiento, sino también por su calidad de sonido, tamaño y coste.

4. SISTEMAS CONSTRUCCION CLASE D.

DE DEL

Figura 4. PWM y Seguidor.

3 Paso:

Ventana de guarda y sistema de acople. Es don el circuito de control se alista para transmitir la señal al sistema de potencia. Figura 5.

PRUEBA Y AMPLIFICADOR

El proceso de prueba se realizo en dos pasos, primero en protoboard y luego en placas impresas.

1 Paso: Oscilador. Es el que nos da la frecuencia de portadora de nuestro sistema. Figura 3.

Figura 5 ventana de guarda y sistema de acople.

Figura 3 oscilador.

2 Paso:

PWM y Seguidor. La señal generada por el oscilador se interna con la señal de entrada para generar el PWM, luego se realiza un seguidor para sostenimiento de señal. Figura 4.

4 Paso: Sistema de patencia. Sistema de salida de altavoces y reconstrucción de la señal. Figura 6.

3

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE D

Figura 6 Sistema de potencia.

Figura 9 prototipo final.

En el sistema de armado del amplificador se realizan mediciones de puesta a punto del sistema para la prueba preliminar.

6. CONCLUSIONES

“Recordemos que el sistema al ser de alta eficiencia de redujo drásticamente los disipadores y sistemas de refrigeración”.

Con el diseño y construcción de un amplificador clase D se aprendió sobre tratamiento de señales y sistemas de control de potencia, se estudio sobre temas importantes como PWM, Sistemas pasa banda, Osciladores, Filtros y sistemas On-Off en electrónica. Se pudo establecer diferencias importantes sobre los tipos de amplificadores y su eficiencia, cuales son las limitaciones y fortalezas.

PROTOTIPO FINAL.

“With the design and construction of an amplifying class D it was learned on signal processing and systems of power control, study on important subjects like PWM, Systems passes band, Oscillating, Filters and On-Off systems in electronics. It was possible to be established important differences on the types of amplifiers and their efficiency, as they are the limitation and strengths.”

REFERENCIAS Teoria amplificadores CLASE D http://html.rincondelvago.com/amplificador.html http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador http://edukalibre.org/moodle/file.php/9/Trabajos/20042005/Amplificadores_Potencia/Amplificadores_de_Potencia_E ficiencia_y_Tipos.pdf#search=%22amplificador%20clase%20d %22. http://www.coldamp.com/opencms/opencms/coldamp/es/tecno logia/ Pwm http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_anchura_de_im pulsos http://www.minas.upm.es/dep/SistemasEnergeticos/Tema6b.PDF#search=%22modulacion%20an cho%20de%20pulso%22 http://perso.wanadoo.es/luis_ju/edigital/ed10.html Teorema de nyqyuist http://www.ehu.es/iswezraa/InfIndEs/Transp/TMuestreo.do c Serie de furiel. http://math2.org/math/advanced/es-fourier.htm http://www.ma2.us.es/seminarios/four.pdf#search=%22ser ies%20de%20fourier%22 Circuitos de amplificadores clase d. http://html.rincondelvago.com/amplificadores-de-bajapotencia.html

Figura 7 prototipo final.

Figura 8 prototipo final. 4

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE D -

http://www.ing.unlp.edu.ar/carreras/analiticos/Electrotecni a/E-215%20Circuitos%20Electr%F3nicos%20II.doc http://www.ia.csic.es/sea/publicaciones/4338lc001.pdf#se arch=%22circuitos%20de%20amplificadores%20clase%2 0d%22

kenwood http://www.kenwood.es/etapas_de_potencia.htm -

-

Universidad de La Rioja Departamento de Ingeniería Eléctrica. Centro de Enseñanzas Científicas y Técnicas Luis de Ulloa 20. 26004 Logroño Tel: 1 941 299 486; 2 941 299 485; Fax: 941 200 478 E-mail: 1 [email protected]; 2 [email protected] 3 Universidad de Zaragoza Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Centro Politécnico Superior María de Luna 1. 50015 Zaragoza Tel: 34 976 761 948; Fax: 34 976 762 111 E-mail: [email protected] ABSTRACT :Audio amplification is analysed throughout four stages. First one is a classic amplification

5...